KR20150023133A - 냉각수를 이용한 fpso 선박용 발전 장치 및 이를 구비한 fpso 선박 - Google Patents

냉각수를 이용한 fpso 선박용 발전 장치 및 이를 구비한 fpso 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치 및 이를 구비한 FPSO 선박에 관한 것으로, 선체의 상부에서 사용되는 냉각수를 선체의 하단부로 배출하는 과정에서 발생하는 냉각수의 낙하 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있도록 발전 유닛을 구비함으로써, 냉각수의 공급 및 배출 과정에서 발생하는 에너지 낭비를 방지함과 동시에 엔진 연료를 이용하지 않고도 별도의 전기 에너지를 생산할 수 있어 선박의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치 및 이를 구비한 FPSO 선박을 제공한다.

Description

냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치 및 이를 구비한 FPSO 선박{Power Generation System Using Cooling Water of FPSO and FPSO Provided Therewith}
본 발명은 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치 및 이를 구비한 FPSO 선박에 관한 것이다. 보다 상세하게는 선체의 상부에서 사용되는 냉각수를 선체의 하단부로 배출하는 과정에서 발생하는 냉각수의 낙하 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있도록 발전 유닛을 구비함으로써, 냉각수의 공급 및 배출 과정에서 발생하는 에너지 낭비를 방지함과 동시에 엔진 연료를 이용하지 않고도 별도의 전기 에너지를 생산할 수 있어 선박의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치 및 이를 구비한 FPSO 선박에 관한 것이다.
국제적인 급격한 산업화 현상과 공업이 발전함에 따라 석유와 같은 자원의 사용량은 점차 증가하고 있으며, 이에 따라 오일의 안정적인 생산과 공급이 전 지구적인 차원에서 대단히 중요한 문제로 떠오르고 있다.
이러한 이유로 최근에는 지금까지 경제성이 없어 무시되어 왔던 군소의 한계 유전(marginal field)이나 심해 유전의 개발이 경제성을 가지게 되었다. 따라서, 최근에는 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이러한 유전의 개발에 적합한 다양한 시추선이 개발되고 있다.
이러한 시추선 중 FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 선박은 현재 유전에서 원유를 생산하기 위해 사용되고 있으며, LNG FPSO 선박은 근래 들어 유전의 고갈 및 청정연료에 대한 수요의 증가로 인해 그 개발이 활발히 이루어지고 있다. 심해저 유전 개발에 있어서 FPSO 선박이나 LNG FPSO 선박은 해상에 부유한 상태에서 원유나 천연 가스를 정제, 저장 및 운반할 수 있는 부유식 해상 정유 공장이라고 할 수 있다.
이러한 FPSO 선박에는 데크 상부에 원유나 천연 가스를 다양한 방식으로 처리할 수 있는 다양한 가동 장비가 구비되는데, 이러한 가동 장비를 작동시키는 동안에는 가동 장비에 발생하는 열을 식히기 위해 많은 양의 냉각수가 공급된다.
냉각수는 일반적으로 해수를 이용하는 방식으로 가동 장비에 공급되며, 냉각수로 사용된 이후에는 다시 해상으로 배출되는데, FPSO 선박의 하단부에 장착된 별도의 배출 케이슨(Caisson)으로 모아진 후, 배출 케이슨으로부터 해상으로 배출되도록 구성된다.
FPSO 선박의 경우 상대적으로 많은 양의 냉각수가 사용되기 때문에, 배출 케이슨을 통해 해상으로 배출되는 냉각수의 양 또한 상대적으로 매우 많다. 또한, 냉각수는 FPSO 선박의 선체 데크 상부에서 사용된 이후 하단부에 위치한 배출 케이슨으로 공급되어 해상으로 배출되므로, 냉각수의 배출 흐름 과정에서 냉각수의 높이차가 상당하다. 따라서, FPSO 선박에서는 냉각수의 공급 및 배출 과정에서 많은 양의 에너지가 낭비되고 있는 실정이다.
국내공개특허 제10-2010-0062112호
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 선체의 상부에서 사용되는 냉각수를 선체의 하단부로 배출하는 과정에서 발생하는 냉각수의 낙하 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있도록 발전 유닛을 구비함으로써, 냉각수의 공급 및 배출 과정에서 발생하는 에너지 낭비를 방지함과 동시에 엔진 연료를 이용하지 않고도 별도의 전기 에너지를 생산할 수 있어 선박의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치 및 이를 구비한 FPSO 선박을 제공하는 것이다.
본 발명은, 선체의 하단부에 배치되며, 일측에는 내부 공간에 공급된 액체가 외부로 배출될 수 있도록 해상 배출 라인이 연결되는 배출 케이슨; 선체의 상부에서 사용된 냉각수가 낙하하여 상기 배출 케이슨으로 공급될 수 있도록 상기 배출 케이슨으로부터 선체의 상부로 연결되는 냉각수 배출 라인; 및 상기 냉각수 배출 라인을 통해 유동하는 상기 냉각수의 낙하 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치를 제공한다.
이때, 상기 발전 유닛은, 상기 냉각수 배출 라인의 내부에 장착되어 상기 냉각수의 낙하 에너지를 전달받아 회전하는 터빈; 및 상기 터빈과 일체로 회전하며 전기를 생산하는 발전기를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 냉각수 배출 라인은 선체의 상부에 배치되는 상부 라인과, 상기 상부 라인의 끝단으로부터 선체의 하단부로 연장되도록 상하 방향으로 배치되는 수직 라인을 포함하고, 상기 터빈은 상기 수직 라인의 내부 하단부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 수직 라인의 하단부에는 내부 공간에 상기 터빈이 장착될 수 있도록 터빈 케이스가 상기 수직 라인의 내부 공간과 연통되게 형성되고, 상기 터빈은 터빈 블레이드가 상기 수직 라인의 내부 공간에 노출되는 형태로 상기 터빈의 회전 중심축이 상기 터빈 케이스에 회전 가능하게 장착될 수 있다.
또한, 상기 냉각수 배출 라인에는 상기 발전 유닛으로 공급되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있도록 유량 조절 밸브가 장착될 수 있다.
또한, 상기 냉각수 배출 라인에는 상기 발전 유닛으로 공급되는 냉각수의 유량을 일정하게 유지시킬 수 있도록 상기 유량 조절 밸브의 상류측에 어큐뮬레이터가 장착될 수 있다.
한편, 본 발명은, 상기 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 FPSO 선박을 제공한다.
본 발명에 의하면, 선체의 상부에서 사용되는 냉각수를 선체의 하단부로 배출하는 과정에서 발생하는 냉각수의 낙하 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있도록 발전 유닛을 구비함으로써, 냉각수의 공급 및 배출 과정에서 발생하는 에너지 낭비를 방지함과 동시에 엔진 연료를 이용하지 않고도 별도의 전기 에너지를 생산할 수 있어 선박의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 발전 유닛의 터빈을 냉각수 배출 라인 내부에서 일측 방향의 회전력이 작용하도록 배치함으로써, 터빈의 회전력을 증가시켜 전기 에너지 생산 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치에 대한 계통도를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치의 발전 유닛에 대한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치에 대한 계통도를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치의 발전 유닛에 대한 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 FPSO 선박용 발전 장치는 FPSO 선박의 데크 상부에서 사용되는 냉각수의 배출 과정에서 발생하는 낙하 에너지(위치 에너지 차이)를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 장치로서, 선체(100)의 하단부에 배치되는 배출 케이슨(210)과, 선체(100)의 상부에서 사용된 냉각수가 낙하하여 배출 케이슨(210)으로 공급될 수 있도록 형성되는 냉각수 배출 라인(220)과, 냉각수 배출 라인(220)을 통해 유동하는 냉각수의 낙하 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 유닛(250)을 포함하여 구성된다.
배출 케이슨(210)은 도 1에 도시된 바와 같이 선체(100)의 하단부에 배치되며, 일측에는 내부 공간에 공급된 냉각수가 외부로 배출될 수 있도록 별도의 해상 배출 라인(211)이 연결된다. 해상 배출 라인(211)은 유연성을 갖는 플렉서블 호스 형태로 형성될 수 있으며, 냉각수가 원활하게 배출될 수 있도록 배출 케이슨(210)의 하단에 연통 결합될 수 있다.
냉각수 배출 라인(220)은 선체(100)의 상부에서 사용된 냉각수가 낙하하여 배출 케이슨(210)으로 공급될 수 있도록 배출 케이슨(210)으로부터 선체(100)의 상부로 연결된다. 선체(100)의 상부에는 원유 또는 천연가스에 대한 다양한 처리를 위해 다양한 가동 장비(110)가 구비되는데, 냉각수는 이러한 가동 장비(110)를 냉각시킬 수 있도록 다수개의 가동 장비(110)에 순환 공급된다. 가동 장비(110)에 공급되어 가동 장비(110)를 냉각시킨 이후, 냉각수는 전체적으로 하나의 배관으로 모아질 수 있으며, 이 과정에서 냉각수 배출 라인(220)으로 유입되어 냉각수 배출 라인(220)을 통해 배출 케이슨(210)으로 공급된다. 배출 케이슨(210)으로 공급된 냉각수는 배출 케이슨(210)의 해상 배출 라인(211)을 통해 해상으로 외부 배출된다.
이때, FPSO 선박은 그 규모가 상대적으로 매우 크기 때문에, 선체(100)의 하단부부터 데크 상부까지의 높이가 상당히 높으며, 이에 따라 선체의 상부에서 사용된 냉각수가 냉각수 배출 라인(220)을 따라 하단부의 배출 케이슨(210)으로 공급되는 과정에서 냉각수의 위치 에너지 차이가 상대적으로 크게 발생한다.
발전 유닛(250)은 이와 같이 냉각수 배출 라인(220)을 통해 유동하는 냉각수의 낙하 에너지(위치 에너지 차이)를 이용하여 전기 에너지를 발생시키도록 구성된다. 따라서, 냉각수의 위치 에너지를 최대한 이용하여 전기 에너지의 생산 효율을 높일 수 있도록 발전 유닛(250)의 설치 위치는 냉각수 배출 라인(220)의 하단부에 형성되는 것이 바람직하다.
좀더 자세히 살펴보면, 냉각수 배출 라인(220)은 도 1에 도시된 바와 같이 선체(100)의 상부에 배치되는 상부 라인(221)과, 상부 라인(221)의 끝단으로부터 선체(100)의 하단부로 연장되도록 상하 방향으로 배치되는 수직 라인(222)을 포함하여 구성될 수 있다. 수직 라인(222)의 하단이 배출 케이슨(210)에 직접 연통되게 결합될 수도 있으나, 수직 라인(222)의 하단에 별도의 수평 라인(223)이 연결되고, 수평 라인(223)을 통해 배출 케이슨(210)에 연결되도록 구성될 수도 있다.
이때, 발전 유닛(250)은 수직 라인(222)의 하단부에 배치되는 것이 바람직하며, 이를 통해 냉각수의 낙하 에너지를 최대한 활용할 수 있어 발전 유닛(250)의 전기 에너지 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 발전 유닛(250)은 도 2에 도시된 바와 같이 냉각수 배출 라인(220), 좀더 구체적으로는 수직 라인(222)의 하단부 내부에 장착되어 냉각수 낙하 에너지를 전달받아 회전하는 터빈(251)과, 터빈(251)과 일체로 회전하며 전기를 생산하는 발전기(252)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 터빈(251)은 회전 중심축(251-2)을 중심으로 방사되는 형태로 다수개의 터빈 블레이드(251-1)가 결합되는 형태로 구성될 수 있다.
이러한 터빈(251)은 터빈 블레이드(251-1)가 수직 라인(222)의 내부 공간에 노출되는 형태로 장착되는데, 이를 위해 단순히 터빈(251) 전체가 수직 라인(222)의 내부 공간에 장착될 수도 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 별도의 터빈 케이스(253)가 수직 라인(222)에 연통되게 형성되는 방식으로 구성될 수도 있다.
즉, 수직 라인(222)의 하단부에는 내부 공간에 터빈(251)이 장착될 수 있도록 터빈 케이스(253)가 수직 라인(222)의 내부 공간과 연통되게 형성되고, 터빈(251)은 터빈 블레이드(251-1)가 수직 라인(222)의 내부 공간에 노출되는 형태로 회전 중심축(251-2)이 터빈 케이스(253)에 회전 가능하게 장착될 수 있다.
이러한 구성에 따라 수직 라인(222)을 통해 낙하하는 냉각수의 낙하 에너지가 터빈 블레이드(251-1)를 일측 방향으로 회전시키도록 작용하므로, 터빈(251)의 회전력이 증가하여 전기 에너지의 생산 효율이 더욱 향상될 수 있다. 즉, 모든 터빈 블레이드(251-1)가 수직 라인(222)의 내부 공간에 위치하게 되면, 일부 터빈 블레이드에는 냉각수의 낙하 에너지에 의해 반대 방향의 회전력이 발생하게 되므로, 터빈 블레이드의 회전력이 감소하게 되는데, 본 발명의 일 실시예에서는 터빈(251)의 회전 중심축(251-2)이 터빈 케이스(253)에 장착되기 때문에, 터빈 블레이드(251-1)의 일측 구간만 수직 라인(222)의 내부 공간에 노출되므로, 냉각수의 낙하 에너지에 의해 일측 방향의 회전력만 발생하게 되어 회전력이 증가하게 된다.
한편, 냉각수 배출 라인(220)에는 발전 유닛(250)으로 공급되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있도록 유량 조절 밸브(230)가 장착될 수 있으며, 이를 통해 발전 유닛(250)으로 공급되는 냉각수의 유량을 일정하게 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라 그 유량 또한 조절할 수 있어 발전 유닛(250)을 통한 전기 에너지 생산량을 필요에 따라 조절할 수 있다.
또한, 냉각수 배출 라인(220)에는 발전 유닛(250)으로 공급되는 냉각수의 유량을 일정하게 유지시킬 수 있도록 유량 조절 밸브(230)의 상류측에 어큐뮬레이터(240)가 장착될 수 있으며, 이를 통해 냉각수의 유동량을 일정하게 유지시켜 냉각수의 유동 상태를 안정화할 수 있고, 발전 유닛(250)의 작동 상태 또한 안정적으로 유지시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 선체 110: 가동 장비
210: 배출 케이슨 220: 냉각수 배출 라인
221: 상부 라인 222: 수직 라인
223: 수평 라인 230: 유량 조절 밸브
240: 어큐뮬레이터 250: 발전 유닛
251: 터빈 252: 발전기
253: 터빈 케이스

Claims (7)

  1. 선체의 하단부에 배치되며, 일측에는 내부 공간에 공급된 액체가 외부로 배출될 수 있도록 해상 배출 라인이 연결되는 배출 케이슨;
    선체의 상부에서 사용된 냉각수가 낙하하여 상기 배출 케이슨으로 공급될 수 있도록 상기 배출 케이슨으로부터 선체의 상부로 연결되는 냉각수 배출 라인; 및
    상기 냉각수 배출 라인을 통해 유동하는 상기 냉각수의 낙하 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 유닛
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 유닛은
    상기 냉각수 배출 라인의 내부에 장착되어 상기 냉각수의 낙하 에너지를 전달받아 회전하는 터빈; 및
    상기 터빈과 일체로 회전하며 전기를 생산하는 발전기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각수 배출 라인은
    선체의 상부에 배치되는 상부 라인과, 상기 상부 라인의 끝단으로부터 선체의 하단부로 연장되도록 상하 방향으로 배치되는 수직 라인을 포함하고,
    상기 터빈은 상기 수직 라인의 내부 하단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수직 라인의 하단부에는 내부 공간에 상기 터빈이 장착될 수 있도록 터빈 케이스가 상기 수직 라인의 내부 공간과 연통되게 형성되고,
    상기 터빈은 터빈 블레이드가 상기 수직 라인의 내부 공간에 노출되는 형태로 상기 터빈의 회전 중심축이 상기 터빈 케이스에 회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각수 배출 라인에는 상기 발전 유닛으로 공급되는 냉각수의 유량을 조절할 수 있도록 유량 조절 밸브가 장착되는 것을 특징으로 하는 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각수 배출 라인에는 상기 발전 유닛으로 공급되는 냉각수의 유량을 일정하게 유지시킬 수 있도록 상기 유량 조절 밸브의 상류측에 어큐뮬레이터가 장착되는 것을 특징으로 하는 냉각수를 이용한 FPSO 선박용 발전 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 FPSO 선박용 발전 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 FPSO 선박.
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